蔣溝河渠道倒虹吸進口漸變段底板頂托破壞案例分析

秦紅軍

（河南省山水水利工程有限公司，鄭州450003）

1 工程概況

該倒虹吸為1 個引水渠道穿越蔣溝河的河渠交叉建筑物，建筑物形式為渠道倒虹吸；倒虹吸總長度247.6m，主要由進口漸變段、進口閘室段、管身段、出口閘室段、出口漸變段組成。管身段長度109m，為4 孔鋼筋混凝土箱形結構（單孔尺寸6.5m×7m）；進、出口漸變段分別連接上、下游渠道，進、出口漸變段底板為鋼筋混凝土結構。2011 年8 月7 日（待運行期），施工方發現進口漸變段1#、1′#底板處有7 條裂縫；2011 年8 月11 日發現進口漸變段第1 節、第2 節、第3節底板已產生大量裂縫，第1 節、第2 設計分塊被頂托抬起13.12cm，裂縫最大開度達到4mm，裂縫呈進口向八字形射線形分布。經分析為頂托變形破壞。

2 發生裂縫、錯臺原因分析

2.1 初步分析

2011 年8 月初日至2011 年8 月11 日，進口漸變段底板裂縫由少漸多，呈八字形射線形分布，第1、2 設計分塊被頂托抬起13.12cm。根據上述情況分析，破壞形式為頂托破壞。

1）進口漸變段底板裂縫、錯臺產生后，沿裂縫、結構縫均有滲水、冒水現象；8 月13 日，施工單位在1#底板利用水鉆打了3排孔，當第一個水鉆孔打穿底板后，地下水立即涌出，水頭高約1m；待其他水鉆孔均打完后，均有地下水涌出，水頭逐漸降低至漫流。隨著地下水流出，大部分裂縫逐漸趨于閉合，錯臺也有一定程度的恢復。

2）根據滲壓計監測情況分析。根據進口漸變段下游、進水閘附近底板下埋設的滲壓計監測數據：在2010 年10 月，隨著蔣溝河渠道倒虹吸下部結構施工基本完成，施工降水工作陸續停止，地下水位逐步上升，滲壓計的監測值逐步變大，并在同一時間（2011 年8 月7 日）達到峰值（見圖1）。在8 月7 日～8 月8 日，進口漸變段底板產生錯臺、裂縫后，隨著地下水的涌出，底板下滲壓計監測值驟然下降，最大下降約10kPa，相當于1m 水頭。

圖1 進口漸變段附近底板下滲壓計測值過程曲線

根據上述情況分析，進口漸變段底板產生裂縫、錯臺的原因可初步判斷為地下水的頂托破壞所致。

2.2 上部第四系孔隙潛水對底板產生頂托破壞的可能性分析

場區地下潛水位埋藏較淺，前期勘察期間測得地下潛水位高程104.14～104.94m；2009 年9 月，工程開工前測得地下潛水位高程約103m，高于倒虹吸水平管段建基面約12.5m，高于進口漸變段最低處1#底板建基面5.9m。施工過程中，施工方采取了截滲墻結合管井降水的措施，把地下潛水位有效地降低至建基面1m 以下。2011 年4 月，主體工程完工后，降水工作逐步停止，大部分降水井陸續封堵，地下潛水位逐漸回升。

2011 年8 月1 日～2011 年8 月4 日降雨相對集中，地表水下滲使基坑周邊的上部潛水位迅速上升。2011 年8 月11 日漸變段底板產生頂托破壞時，根據場區附近水位觀測數據地下潛水位高程101.09～101.26m，高于進口漸變段1#底板建基面4.02～4.19m。由于漸變段底板及兩側翼墻均為鋼筋混凝土結構，形成了封閉式的隔水鋪蓋（僅在兩側翼墻上設置逆止閥，最低一排逆止閥高于1#底板建基面2.0m）。隨著地下潛水位迅速上升，沿基坑周邊溢出向進口漸變段混凝土底板以下匯集，加之1#底板下游閘室鋼筋混凝土基礎的阻水作用，使地下水在漸變段底板下形成局部承壓水，承壓水頭4.02～4.19m。

地下水揚壓力：

式中，P 為地下水揚壓力；ρ水為水的密度；H 為地下水揚壓力水頭，考慮到翼墻逆止閥的排水作用，取2.0m；g 為重力加速度，取10N/kg。

經計算，1#底板處基底水的揚壓力P=20kPa。

底板蓋重：

式中，G 為底板蓋重；ρ混為混-鋼筋混凝土的容重，根據經驗取2 600kg/m3；h 為鋼筋混凝土底板的厚度，取0.5。

經計算：1#底板處鋼筋混凝土底板蓋重G=13kPa。

根據計算結果P＞G，所以可能產生基底揚壓力對底板的頂托破壞。經現場勘查，兩側翼墻大部分逆止閥排水不暢，更增加了地下水對底板頂托破壞的可能性[1]。

2.3 下部第四系孔隙承壓水對底板產生頂托破壞的可能性分析

根據勘察成果，倒虹吸進口段底板位于第④層黃土狀重粉質壤土（相對隔水層）中，底板以下該層厚度1.5～4.8m，根據勘察期間承壓水位的觀測數據，經設計驗算：進口段1#～3#底板地基存在第⑤層輕壤土和第⑥層細砂承壓水的頂托破壞問題。

施工過程中，施工方根據設計方案對1#～3#底板建基面以下的第④層黃土狀重粉質壤土、第⑤層輕壤土和第⑥層細砂層進行了高噴灌漿處理措施。在1#底板下游（IV13+935.3）處高噴底部高程為89.182m，頂高程為94.982m，底板底部高程為97.12m，底板（C20 鋼筋混凝土）厚50cm；在3#底板上游（IV13+901.55）處高噴底高程為90.516m，頂高程為93.816m，底板底部高程為98.758m，底板（C20 鋼筋混凝土）厚50cm。

灌漿處理后，底板以下第④層重粉質壤土及其下部灌漿所覆蓋地層（均視為相對不透水體）總厚度約7.9m，容重按2.0g/cm3；厚50cm 的鋼筋混凝土底板和混凝土墊層的容重按2.5g/cm3；因此，鋼筋混凝土底板、混凝土墊層及其以下的相對不透水體總厚度為8.4m，總的蓋重荷重約為170kPa。

施工期觀測的下部承壓水最高承壓水位為102.4m，在相對不透體底部（高程89.182m）產生的承壓水頭約為13.2m，承壓水揚壓力為132kPa。

經分析，混凝土底板及其以下相對不透水體總荷重（170kPa）大于下部承壓水所產生的水頭壓力（132kPa），進口段1#～3#混凝土底板不會產生地下承壓水的頂托破壞問題。

2.4 分析結果

綜上所述，漸變段底板產生的裂縫、錯臺等原因：由于汛期地下潛水位快速上升、在進口漸變段底板下匯集形成局部承壓水，導致底板在地下水揚壓力的作用下產生了頂托破壞。

3 工程處理

根據以上原因分析，施工單位根據設計要求采取了相應的處理措施：（1）對進口漸變段翼墻的排水孔進行了疏通處理，保證強后排水通暢；（2）在進口漸變段底板設置排水孔，間距3m，梅花形布置，使底板下的地下水能夠順利排出。同時，施工單位根據設計要求對待運行期可能產生地下水頂托破壞現象的其他倒虹吸建筑物進出口底板均設置了排水設施。至今，沒有發生過類似的頂托破壞問題。

4 結語

通過對蔣溝河進口漸變段底板產生裂縫和錯臺破壞的原因分析，充分說明了在工程建設期間工況條件下降排水工作的重要性。特別在高地下水位場區，工程建設過程中不僅要考慮施工過程中的施工降排水問題、正常運行期的內外水平衡問題，同時要根據工程建設的實際情況，充分考慮完建期、待運行期不同工況條件下的內外水平衡、降排水問題，確保建筑物安全的問題，以避免發生安全、質量事故。